5 października 1768 został wyświęcony na biskupa tobolskiego i syberyjskiego. Był pierwszym od stu lat biskupem tobolskim, który nie otrzymał automatycznie godności metropolity, zachował jedynie prawo noszenia mitry z krzyżem i jasnoniebieskiej mantii. Biskup Warłaam kontynuował zainicjowaną przez jego poprzedników działalność edukacyjną, tworząc szkoły duchowne i opiekując się seminarium duchownym w Tobolsku, które w 1770 nakazał przenieść do monasteru Ikony Matki Bożej „Znak” w Tobolsku, poszerzając także jego program nauczania. W 1780 wspólnie z biskupem irkuckim Michałem założył kolejne seminarium duchowne w Irkucku. Innym obszarem jego aktywności były działania misyjne. Biskup Warłaam działał na rzecz nawracania na prawosławie staroobrzędowców, wspierał działania misyjne w Chinach i w Kraju Turuchańskim. W 1794 wsparł kierowaną przez hieromnicha Joazafa misję udającą się na Aleuty i Alaskę. Biskup wspierał także wznoszenie nowych świątyń i w szczególny sposób nadzorował napływające do eparchii ikony;